利用具有脉冲式dc块的测试序列电化学测量分析物的方法及结合其的设备、装置和系统的制作方法
【专利说明】利用具有脉冲式DC块的测试序列电化学测量分析物的方 法及结合其的设备、装置和系统
[0001] 对相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求享有2013年3月15日提交的美国临时专利申请No. 61/792, 748 和61/801，826的优先权，其中每一个通过引用并入本文，如同以其全部内容阐述。
技术领域
[0003] 本公开一般地涉及数学和医学，并且更具体地，其涉及基于从具有至少一个脉冲 式直流（DC)块的电测试序列获得的响应电流电化学测量液体样本中的分析物的方法。
【背景技术】
[0004] 可以从电化学测量液体样本（S卩，生物的或环境的）中的分析物实现明显的益处。 例如，患有糖尿病的个体能够从测量葡萄糖中受益。心脏病的这些潜在危险群能够从测量 其他分析物当中的胆固醇和甘油三酯中受益。这些仅是测量生物样本中的分析物的益处的 几个例子。医学科学的进步标志了能够在液体样本中电化学分析的越来越多数目的分析 物。
[0005] 电化学测量分析物（如葡萄糖）的当前方法的准确度会受到多种混杂变量的负 面影响，这些混杂变量包括试剂厚度的变化、试剂的润湿、样本扩散的速率、血细胞比容 (Hct)、温度、盐和其他混杂变量。这些混杂变量会引起例如与葡萄糖成比例的电流响应的 观察到的幅度的增加或减小，从而导致与"真实"葡萄糖浓度的偏差。
[0006] 已知用于校正可归于测试样本的变化和生物传感器特性的错误的多种方法。一些 方法设法实施对分析物测量的主动校正。例如，美国专利申请公开No. 2009/0236237公开 了生物传感器测量系统，其包括用于基于环境温度的测量、生物传感器自身的温度、或生物 传感器附着到测量设备时与样本被提供到生物传感器时之间的时间来校正分析物测量的 温度校正算法。在另一个示例中，美国专利No. 7, 407, 811公开了用于测量血糖的系统和方 法，其通过测量血液样本对AC激励的阻抗来校正温度、Hct和其他混杂变量的变化，并使用 该阻抗（或阻抗导出的导纳和相位信息）来校正这种干扰物的影响。
[0007] 其他方法设法控制生物传感器的物理特性。例如，美国专利No. 7, 749, 437公开了 用于控制试剂厚度和均匀度的方法。
[0008] 还已经存在使用脉冲式信号实施电化学分析物测量的尝试。例如，Barker等公 开了可以向测试电池应用交替极谱方波电位，并且恰在所应用的电压的每次变化之前测量 出AC电流响应的振幅以检测金属离子的浓度。参见Barker等（1952)Int' 1Congr.Anal. Chem. 77 :685-696。Barker等还公开了他们的方法改善了双层电容电流的速率对A/C极谱 仪的灵敏度的不期望的影响。
[0009] 另外，Gunasingham等公开了一种针对基于介体的酶电极的脉冲式安培计量检 测方法，其向工作电极应用电位脉冲信号并测量电流响应。参见Gunasingham等（1990) J.Electroanal.Chem. 287 :349-362。脉冲信号在基础电位和激励电位之间交替。公开了范 围从小于100毫秒到大于1秒的激励电位脉冲持续时间，并且在每个氧化电位脉冲的最后 16. 7毫秒期间发生了电流采样。也参见美国专利No. 5, 312, 590,其公开了应用脉冲式激励 序列，其在300-500毫秒的0V和50-60毫秒的150mV之间交替。
[0010] 另外，Champagne等公开了一种伏安法测量方法，其向电化学电池的电极上应用可 变的电位信号以产生电化学反应，并测量所得到的电流响应。参见美国专利No. 5, 980, 708。 使用了方波形电位以驱动测试电池电极。在电流响应内的时间段上对正和负电流响应进行 了积分，并且对积分电流进行了求和以计算电流测量。本文公开的脉冲式伏安法测量方法 的示例使用了具有脉冲高度为30mV、阶跃高度为5mV、循环周期为100毫秒、脉冲宽度为40 毫秒和采样时间为35毫秒的输入信号。Champagne等进一步公开了确保被应用到电极的方 波信号的上升时间足够快以允许电流测量。
[0011] Wu等公开了使用门控安培计量脉冲序列，包括顺序激励电位和恢复的多个占空 比。参见美国专利申请公开No. 2008/0173552。激励电位向电化学电池提供恒定电压。在 激励电位期间产生了电流响应并对其进行了测量。电流在恢复期间减小至少一半且优选地 减小到零。减小的恢复电流通过开路条件而被提供到电化学电池。Wu等因此公开了优选的 恢复基本上不同于应用零电位恢复，因为这些恢复在恢复期间提供了独立的扩散和分析物 反应，而没有所应用的电位的影响，即使所应用的电位为零伏。
[0012] Wu公开了一种类似的门控安培计量测量方法，在其期间，电信号处于关闭状态 中的恢复，该关闭状态包括当电信号不存在时的时间段，但不包括当电信号存在但基本 上没有振幅时的时间段。参见美国专利申请公开No. 2009/0145779。该关闭状态是通过 使电路机械地、电气地或用其他方法成为开路来提供的。而且，Wu的美国专利申请公开 No. 2008/0179197公开了门控伏安法脉冲序列，包括顺序激励和恢复的多个占空比。激励向 电化学电池提供了线性的、循环的或非循环的激励，在其期间，当所应用的电位随时间线性 变化时，测量了响应电流。恢复也在开路条件中被提供给电化学电池。
[0013] 电流方法和系统因此在便利性方面提供了一些优点；然而，仍需要甚至在存在混 杂变量的情况下也电化学测量液体样本中的分析物的新方法。
【发明内容】
[0014] 鉴于以上提到的缺陷，本公开描述了对液体样本（例如体液）中的分析物进行电 化学测量的方法。所述方法基于下述发明构思：其包括使用从交流（AC)和/或DC响应导 出的信息，每一个被设计为提供关于生物传感器和/或液体样本的方面的特定信息。例如， 来自低振幅信号的AC块的诸如电流响应、形状和/或幅度之类的信息可以被用于校正混杂 变量，例如Hct和/或温度，或确定生物传感器的条件以及其对于提供准确结果的适用性。 可替换地，来自DC电位的块的诸如恢复电流响应、形状和/或幅度之类的信息可以被用于 校正不仅Hct和/或温度，而且试剂的润湿和样本扩散。因此，当与测量液体样本中的分析 物浓度（或值）的已知方法相比时，本发明构思提供了某些优点、效果、特征和目的。
[0015] 在一个方面，提供了一种电化学分析方法，用于测量、确定、计算或以其他方式预 测已被应用到电化学生物传感器的液体样本中的分析物浓度。所述方法可以包括至少下 述步骤：向液体样本提供至少一个DC块的测试序列，其中测试块被设计为引出关于样本和 /或生物传感器的不同方面的特定信息，其中DC块包括至少一个激励电位和至少一个恢复 电位，并且其中在DC块期间保持电化学生物传感器的电极系统的闭路条件。
[0016] 在另一个方面，提供了一种电化学分析方法，用于测量、确定、计算或以其他方式 预测已被应用到电化学生物传感器的液体样本中的分析物浓度。所述方法可以包括至少下 述步骤：向液体样本提供至少一个AC块和至少一个DC块的测试序列，其中每个测试块被设 计为引出关于样本和/或生物传感器的不同方面的特定信息。
[0017] 关于AC块，其可以是顺序地或并行地同时应用的低振幅信号的块。在一些情况 下，AC块包括至少两个不同低振幅信号。例如，AC块可以包括诸如例如大约10kHz或大约 20kHz后跟有大约1kHz或大约2kHz之类的两个（2)频率处的两个（2)段。在其他情况 下，AC块包括多个低振幅信号。例如，AC块可以具有诸如例如大约10kHz、大约20kHz、大约 10kHz、大约2kHz和大约1kHz之类的四个（4)频率处的五个（5)段。可替换地，AC块可以 具有诸如例如大约20kHz、大约10kHz、大约2kHz和大约1kHz之类的四个（4)频率处的四 个（4)段。可替换地，AC块可以具有同时应用在大约10kHz、大约20kHz、大约10kHz、大约 2kHz和大约1kHz处的四个（4)频率。仍旧可替换地，AC块可以具有同时应用所期望的低 振幅AC信号的多频激励波形。
[0018] 在一些情况下，AC块被应用达大约500毫秒至大约1. 5秒。在其他情况下，AC块 被应用达大约100毫秒至大约300毫秒。
[0019] 在一些情况下，仅一个AC块被应用在测试序列的开始处。然而，在其他情况下，可 以采用附加的AC块，并且附加的AC块甚至可以散布于所述至少一个DC块。照此，AC块可 以被应用在DC块之前、DC块之后、或散布于DC块内。
[0020] 尽管AC段可以被顺序地应用，但它们还可以被共同添加，并且组合的频率可以在 有限的块中被同时应用，其中响应信息可以通过实施傅立叶变换而获得，以获得每个AC频 率的相位和导纳振幅信息。
[0021] 无论段、频率和它们的持续时间如何，AC电流响应信息可以在AC块期间的任何时 间处获得（即测量）。在一些情况下，一系列AC电流响应测量可以在测试序列中较早地实 施。在样本被应用后不久取得的测量将被扩散、温度和试剂可溶性影响。在其他情况下，AC 测量可以在充足的样本已被应用之后足够的时间处获得，以允许响应稳定并避免第一秒中 的瞬态响应。在又其他情况下，AC响应电流信息可以被获得高达约160, 000/秒。
[0022] 在一些情况下，DC块为连续、单极性激励波形（即，贯穿闭路中的DC块应用并控 制电位），这与在激励脉冲之间采用开路的一些脉冲式安培计量方法形成对照。同样地，能 够收集连续的电流响应，从而允许使用更尖端的数字信号处理方法，例如噪声滤波和信号 增强。
[0023] 在一些情况下，DC块包括被优化以检测分析物（如葡萄糖）的多个短持续时间激 励脉冲和恢复脉冲，该优化涉及脉冲持续时间、激励脉冲和恢复脉冲之间的斜坡转变、在每 个脉冲期间测量的电流响应的数目、以及在每个脉冲中何处进行电流响应测量。
[0024] 关于DC块，它可以包括在大约OmV到大约+450mV之间交替的电位处的至少一个 (1)脉冲到大约十个（10)脉冲。在一些情况下，DC块可以为从大约OmV到大约+450mV的 单个电位阶跃，其中电位被保持为使得可以检测到衰减的电流响应。即，DC块包括至少一 个激励脉冲和至少一个恢复脉冲，其中脉冲在大约OmV到大约+450mV之间交替。
[0025] 无论脉冲的数目如何，每个DC脉冲可以被应用达大约50毫秒到大约500毫秒。可 替换地，大约+450mV处的每个DC脉冲可以被应用达大约250毫秒，并且大约OmV处的每个DC脉冲可以被应用达大约500毫秒。
[0026] 在一些情况下，激励脉冲和恢复脉冲是在电位之间使用斜坡而向上/向下的转变 期间控制的。脉冲是以有效减轻电容性电流响应的预定速率控制的。通常地，相对于由近 乎理想的电位转变提供的峰值电流，斜坡速率被选择为提供峰值电流的大约50%或更多的 减小。例如，有效的斜坡速率可以从大约10mV/毫秒到大约50mV/毫秒。
[0027] 无论脉冲的数目、电位和它们的持续时间如何，DC电流响应信息可以在所述一个 或多个DC块期间的任何时间处获得。而且，DC响应电流信息可以被获得高达大约160, 000/ 秒。
[0028] 在一些情况下，使用仅一个DC块。在其他情况下，使用多个DC块。例如，第一DC 块可以用于检测感兴趣的分析物，如葡萄糖，并且第二DC块可以用于提供关于混杂变量的 信息。在一些情况下，第一DC块和第二DC块具有相同的斜坡速率。在其他情况下，第二DC 块具有与第一DC块相比时不同的斜坡速率。而且，DC块可以为使用至少两个不同斜坡速 率的波形。
[0029] 在一些情况下，第二DC块可以被用于检测分析物并因此确认来自第一DC块的结 果。在其他情况下，其他DC块可以被用于测量样本中的其他电活性分析物，诸如酮。
[0030] 可替换地，DC块可以为慢斜坡双极性（SRBP)波形激励。在一些情况下，波形可以 为三角激励，而在另一示例中，它可以为正弦或梯形激励。
[0031] 仍然可替换地，DC块可以为具有多个频率的波形，并可以被电气工程领域的技术 人员描述为大振幅AC波形，与如上描述的低振幅AC块形成对照。
[0032] 鉴于前文，提供了结合电化学分析使用的设备、装置和系统，其合并了本文所公开 的一个或多个测量方法。这些设备、装置和系统可以用于确定包括但不限于氨基酸、抗体、 细菌、碳水化合物、药物、脂质、标记物、核酸、肽、蛋白质、毒素、病毒和其他分析物以及其组 合的分析物的浓度。在某些情况中，分析物是葡萄糖。
[0033] 本发明构思的这些和其他优点、效果、特征和目的将从随后的描述中变得更好理 解。在该描述中，对形成其部分且其中通过图示而非限制的方式示出本发明构思的实施例 的附图做出参考。
【附图说明】
[0034] 当考虑到以下详细描述时，除以上阐述的那些外的优点、效果、特征和目的将变得 更加容易显而易见。这样的详细描述对以下附图做出参考，在附图中：
[0035] 图1示出包括仪表和生物传感器的示例性分析物测量系统。
[0036] 图2示出了示例性分析物测量系统的简化电路图。
[0037] 图3示出可由分析物测量设备、装置或系统采用的示例性测试序列。
[0038] 图4示出了分析物测量系统的示例性测试序列的曲线图。
[0039] 图5示出了分析物测量系统的示例性响应的曲线图。
[0040] 图6是图示了图4的测试序列和图5的响应的部分的放大图。
[0041] 图7A示出了可由分析物测量系统采用的另一示例性测试序列。图7B示出了可由 分析物测量系统采用的更详细的示例性测试序列。
[0042] 图8是图示了对于具有变化的Hct浓度、恒定温度和恒定葡萄糖浓度的测试样本 的电流响应的曲线图。
[0043] 图9是图示了对于具有变化的温度、恒定Hct浓度和恒定葡萄糖浓度的测试样本 的电流响应的曲线图。
[0044] 图10是图示了第一示例性测试序列的电流响应和电流响应增量的曲线图。
[0045] 图11是图示了第二示例性测试序列的电流响应和电流响应增量的曲线图。